CN110190752A - 一种双向clllc-dcx谐振变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向CLLLC‑DCX谐振变换器及其控制方法，本发明的变换器包含两个端口，两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器。本发明公开的双向CLLLC‑DCX谐振变换器，电路结构对称，正反向的工作性能一致，在本发明的控制方法下，可以很好地实现输入侧和输出侧开关管的ZVS或ZCS软开关，可以实现正常负载下的恒电压增益，并且由于辅助二极管的存在，变换器具有双向自动限功率的功能，同时实现正反向运行模式下能量的自然双向流动，提高变换器的效率和可靠性。

Description

一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及其控制方法

技术领域

本发明属于开关电源技术领域，更具体地，涉及一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及其控制方法。

背景技术

近年来，DC-DC变换器被广泛应用在各个领域，尤其是在包含储能单元的高压直流输电、微电网和电动汽车等各种供电***场合。随着在电力电子技术领域中对能量转换要求的不断提高，变换器逐渐向高频化、高效率、高功率密度发展，而且上述***的储能单元在进行充放电时需要对能量控制，这就要求功率变换器具有双向可控功率流的特点，因此双向、高频隔离的需求也不断增加。

在隔离型DC-DC变换器中，LLC谐振变换器因其可实现全负载范围下的软开关特性，具有很高的功率密度和变换效率。然而，当开关频率远离谐振频率时，会形成很高的环路电流而使效率变低。为了解决宽电压增益问题，通常会使用两级结构，其中一级是工作在谐振点的LLC谐振变换器，由于不改变其电压增益，于是称其为LLC-DCX，另外一级是非隔离型DC-DC变换器，用来调节电压增益。传统的LLC谐振变换器只有在开关谐振和谐振频率相等时才具有恒增益特性，而由于需要添加死区时间防止同一桥臂的开关管同时导通，因此开关频率无法完全等于谐振频率；此外，一般为了提高LLC谐振变换器的效率，副边开关管通常会使用同步整流的控制策略，但是在双向运行模式下，由于谐振腔的不对称，正反向的工作性能是不一样的，反向运行时会失去LLC的软开关特性，且要检测电流过零点，控制逻辑需要在正向与反向之间切换，同时还需要判断能量的流动方向，在实际应用中是非常困难的。

发明内容

为了解决不对称和控制逻辑需要切换以及恒增益的问题，本发明公开了一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及用于对变换器进行控制的同步等脉宽控制方法，该变换器的拓扑结构对称，要解决的技术问题是，可以很好地实现输入侧和输出侧MOS管的ZVS或ZCS软开关，并且实现正常负载下的恒电压增益和变换器双向限功率的功能，同时实现正反向运行模式下能量的自然双向流动，提高变换器的效率和可靠性。

本发明公开了一种双向CLLLC-DCX谐振变换器，包括主电路和控制电路，所述主电路包含第一端口、第二端口、两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器，所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为电源端，另外一个则对应地作为负载端；连接变压器两端的电路拓扑结构相同，变压器的原边包括由谐振电感L_{r_p}、谐振电容C_{r_p1}和C _{r_p2}及其反并联辅助二极管D₁和D₂组成的谐振电路，由开关管Q₁、Q₂组成的开关电路；变压器的副边同理，包括由谐振电感L_{r_s}和谐振电容C_{r_s1}和C_{r_s2}及其反并联辅助二极管D₃和D₄组成的谐振电路，由开关管Q₃和Q₄组成的开关电路；

所述主电路中各个部件的连接关系为：在变压器原边，谐振电容C_{r_p1}的正极和开关管Q₁的漏极同时与第一端口正极相连，谐振电容C_{r_p1}的负极则同时与谐振电容C_{r_p2}正极和变压器一次侧的负极相连，开关管Q₁的源极同时与谐振电感L_{r_p}的一端和开关管Q₂的漏极相连，开关管Q₂的源极和谐振电容C_{r_p2}的负极同时与第一端口的负极相连，而谐振电感L_{r_p}的另一端则与变压器一次侧的正极相连，辅助二极管D₁、D₂分别反并联于谐振电容C_{r_p1}、C_{r_p2}；同样的，在变压器副边，变压器二次侧的正极与谐振电感L_{r_s}的一端相连，谐振电感L_{r_s}的另一端同时与开关管Q₃的源极和开关管Q₄的漏极相连，开关管Q₃的漏极同时与谐振电容C_{r_s1}和第二端口的正极相连，谐振电容C_{r_s1}的负极同时与谐振电容C_{r_s2}的正极和变压器二次侧的负极相连，而开关管Q₄的源极、谐振电容C_{r_s2}的负极和第二端口的负极同时连在一起，辅助二极管D₃、D₄分别反并联于谐振电容C_{r_s1}、C_{r_s2}。

在另外一个实施例中，控制电路包括控制器和驱动电路；控制器是DSP控制器，用于产生一组互补的PWM驱动信号，驱动电路将接收到的来自控制器的PWM驱动信号，经过隔离和电压增强后为主电路的开关管Q1～Q4提供驱动电压。

在另外一个实施例中，所述开关管Q1～Q4为存在反并联的体二极管和漏源极的寄生电容的开关管。

此外，本发明还公开了所述的双向CLLLC-DCX谐振变换器的控制方法，所述控制方法包括：

在正向运行时，当流过谐振电感L_{r_p}的电流i_r1为零时，同时开通开关管Q₁和Q₃，经过半个谐振周期后，i_r1再次为零，此时将开关管Q₁和Q₃同时关闭，经过一个死区时间，i_r1在死区时间内在零附近微幅振荡，Q₂和Q₄同时导通时，i_r1也为零值，经过半个谐振周期后，Q₂和Q₄在i_r1再次为零时同时关闭；

在反向运行时，当流过谐振电感L_{r_s}的电流i_r2为零时，同时开通开关管Q₁和Q₃，经过半个谐振周期后，i_r2再次为零，此时将开关管Q₁和Q₃同时关闭，经过一个死区时间，i_r2在死区时间内在零附近微幅振荡，Q₂和Q₄同时导通时，i_r2也为零值，经过半个谐振周期后，Q₂和Q₄在i_r2再次为零时同时关闭。

相对于现有技术，本发明具备如下的有益效果：

1、正反向运行时工作性能一样，无需更换控制逻辑，可实现能量的自然双向流动。

2、正向运行时，可实现Q1、Q2的零电流、零电压开通和零电流关断，Q3、Q4的零电压开通，当励磁电感设计得比较合理时，Q3、Q4的关断电流比较小；反向运行时，可实现Q3、Q4的零电流、零电压开通和零电流关断，Q1、Q2的零电压开通，同理当励磁电感设计得比较合理时，Q1、Q2的关断电流也比较小。

3、在正常负载范围内，负载的变化不会影响电压增益，电压为恒定值；在过载的情况下，由于辅助二极管的存在，输出功率不会超过一个最大值，起到了输出保护的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种双向CLLLC-DCX谐振变换器电路结构示意图；

图2(a)为本发明变压器工作在正常负载情况下的主要波形图；

图2(b)为本发明变压器工作在过载情况下的主要波形图；

图3为本发明实施例的变换器正常负载工作时t₀～t₃的工作情况等效电路图；

图4为本发明实施例的变换器过载工作时t₀～t₄的工作情况等效电路图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，所述的双向CLLLC-DCX谐振变换器的主电路主要包含两个端口(第一端口、第二端口)，两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器。所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为本发明变换器的电源端，另外一个则对应地作为负载端；变压器两端的结构相同，变压器的原边包括由谐振电感L_{r_p}和谐振电容(C_{r_p1}、C_{r_p2})及其反并联辅助二极管(D₁、D₂)组成的谐振电路，由开关管(Q₁、Q₂)组成的开关电路。变压器的副边同理，包括由谐振电感L_{r_s}和谐振电容(C_{r_s1}、C_{r_s2})及其反并联辅助二极管(D₃、D₄)组成的谐振电路，由开关管(Q₃、Q₄)组成的开关电路。连接关系是：变压器的原边，谐振电容C_{r_p1}的正极和开关管Q₁的漏极同时与第一端口正极相连，谐振电容C_{r_p1}的负极则同时与谐振电容C_{r_p2}正极和变压器一次侧的负极相连，开关管Q₁的源极同时与谐振电感L_{r_p}的一端和开关管Q₂的漏极相连，开关管Q₂的源极和谐振电容C_{r_p2}的负极同时与第一端口的负极相连，而谐振电感L_{r_p}的另一端则与变压器一次侧的正极相连，辅助二极管D₁、D₂分别反并联于谐振电容C_{r_p1}、C_{r_p2}；同样的，在变压器副边，变压器二次侧的正极与谐振电感L_{r_s}的一端相连，谐振电感L_{r_s}的另一端同时与开关管Q₃的源极和开关管Q₄的漏极相连，开关管Q₃的漏极同时与谐振电容C_{r_s1}和第二端口的正极相连，谐振电容C_{r_s1}的负极同时与谐振电容C_{r_s2}的正极和变压器二次侧的负极相连，而开关管Q₄的源极、谐振电容C_{r_s2}的负极和第二端口的负极同时连在一起，辅助二极管D₃、D₄分别反并联于谐振电容C_{r_s1}、Cr_{_}s2。

作为优选，所述开关管(Q₁、Q₂、Q₃、Q₄)为存在反并联的体二极管和漏源极的寄生电容的开关管。

如图1所示，变换器第一端口的电压为V₁，i₁为其电流，而第二端口的电压为V₂，i₂为其电流；i_r1、i_r2分别为变压器原副边流过谐振电感L_{r_p}、L_{r_s}的谐振电流；i_m是流过励磁电感L_m的电流；u_cp1、u_cp2、u_cs1、u_cs2分别是原副边谐振电容两端的电压；i_D1、i_D2、i_D3、i_D4分别是流过原副边辅助二极管的电流；Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别代表对应MOS管的门极信号。

具体控制方法如下：

正向运行时，当流过谐振电感L_{r_p}的电流i_r1为零时，同时开通开关管Q₁和Q₃，经过半个谐振周期后，i_r1再次为零，此时将开关管Q₁和Q₃同时关闭。经过一个死区时间，i_r1在死区时间内在零附近微幅振荡，Q₂和Q₄同时导通时，i_r1也为零值，经过半个谐振周期后，Q₂和Q₄在i_r1再次为零时同时关闭。反向运行时同理，此时是根据谐振电感L_{r_s}的电流i_r2的过零点情况作为开关管开通关断的节点,其正常负载和过载运行时的工作模态具体可参见图3-4所示。

除了主电路外，双向CLLLC-DCX谐振变换器还包括控制电路，控制电路包括控制器和驱动电路；控制器是DSP控制器，用于产生一组互补的PWM驱动信号，驱动电路将接收到的来自控制器的PWM驱动信号，经过隔离和电压增强后为主电路的开关管Q₁～Q₄提供驱动电压。上述的开关管控制方法可以使用控制电路来实现。

本实施例及其电路拓扑工作过程如下：

以正向工作为例，如图2(a)和图3所示，当变换器工作在正常负载时，在t₀时刻，谐振电流i_r1开始从零增加时，开关管Q₁和Q₃同时开通，Q₁为零电流开通，如果参数和死区时间设计合理，t₀时刻Q₁刚好放电完毕，则能同时实现Q₁的零电压开通，根据电感的伏秒平衡特性，死区之间开通之前励磁电流i_m为负值，副边电流从Q₃的体二极管流过，把Q₃两端的电压钳位为零，为Q₃的零电压开通创造了条件；通过调整死区时间让开关频率与谐振频率相等，i_r1为正弦信号，经过半个谐振周期再次达到零时，开关管Q₁和Q₃同时关断，此时Q₁为零电流关断，副边电流为ni_m，n是变压器的变比，于是Q₃有关断电流，如果L_m取值加大，关断电流则会相应地减小；t₁到t₃是死区时间，此时原边Q₁的结电容充电，Q₂的结电容放电，副边Q₃的结电容充电，Q₄的结电容放电，由于i_r2的值大于i_r1，副边的结电容在t₂时先充放电完毕，t₂到t₃电流从Q₄的体二极管流过把Q₄两端的电压钳位为零。在正常负载情况下，如果选择参数选择合理，输入电流与输出电流呈比例关系，根据输入输出功率守恒原理，输入输出电压也呈比例关系，与负载无关，于是在正常负载范围内，电压增益恒定不变。后半周期波形对称，原理也相同。

如图2(b)和图4中所示，当变压器工作在过载情况下时，同理在谐振电流i_r1为零时开通或关断相应的MOS管；当负载加重时，理论上输出功率会增加，输入电流变大，在相同的时间内，谐振电容的电压峰峰值也会变大，但由于辅助二极管D₁、D₂的存在，谐振电容两端的电压不会超过输入电压，t₁时刻，谐振电容C_{r_p2}充电到与电源电压一样，另外对应的谐振电容C_{r_p1}放电到零，此时电流转而流向D₁把C_{r_p1}钳位为零，电源与变压器脱离，不再有功率输入，从而起到了双向限功率的作用。t₂到t₄是死区时间，与正常载时相似，原副边开关管的结电容充放电，而同理由于副边电流较大先使副边结电容在t₃时刻充放电完，电流走体二极管，把Q₄钳位为零。

综上，本发明公开的双向CLLLC-DCX谐振变换器正反向工作性能一致，由于添加了辅助电感(L_p、L_s)，可实现全部功率开关管(S₁、S₂、S₃、S₄)全负载范围内的零电压开通(ZVS)，并且减小了环流损耗，提高了传输效率。正反向运行时，本发明变换器的工作性能一样，当能量流动方向发生变化时，无需更换控制逻辑，能够实现能量的自然双向流动。在额定负载到空载范围内，电压增益与负载的变化无关，电压为一个恒定值；在过载的情况下，辅助二极管(D₁、D₂、D₃、D₄)的钳位作用使输出功率不会超过一个最大值，可以对输出起到保护的作用。

通过本发明提出的同步等脉宽的控制方法，可以很好对提出的双向CLLLC-DCX谐振变换器上实现输入侧MOS管的ZVS、ZCS软开关以及输出侧的ZVS软开关，并且实现正常负载下的恒电压增益和变换器双向限功率的功能，同时实现正反向运行模式下能量的自然双向流动，提高变换器的效率和可靠性。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种双向CLLLC-DCX谐振变换器，其特征在于，包括主电路和控制电路，所述主电路包含第一端口、第二端口、两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器，所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为电源端，另外一个则对应地作为负载端；连接变压器两端的电路拓扑结构相同，变压器的原边包括由谐振电感L_{r_p}、谐振电容C_{r_p1}和C_{r_p2}及其反并联辅助二极管D₁和D₂组成的谐振电路，由开关管Q₁、Q₂组成的开关电路；变压器的副边同理，包括由谐振电感L_{r_s}和谐振电容C_{r_s1}和C_{r_s2}及其反并联辅助二极管D₃和D₄组成的谐振电路，由开关管Q₃和Q₄组成的开关电路；

所述主电路中各个部件的连接关系为：在变压器原边，谐振电容C_{r_p1}的正极和开关管Q₁的漏极同时与第一端口正极相连，谐振电容C_{r_p1}的负极则同时与谐振电容C_{r_p2}正极和变压器一次侧的负极相连，开关管Q₁的源极同时与谐振电感L_{r_p}的一端和开关管Q₂的漏极相连，开关管Q₂的源极和谐振电容C_{r_p2}的负极同时与第一端口的负极相连，而谐振电感L_{r_p}的另一端则与变压器一次侧的正极相连，辅助二极管D₁、D₂分别反并联于谐振电容C_{r_p1}、C_{r_p2}；同样的，在变压器副边，变压器二次侧的正极与谐振电感L_{r_s}的一端相连，谐振电感L_{r_s}的另一端同时与开关管Q₃的源极和开关管Q₄的漏极相连，开关管Q₃的漏极同时与谐振电容C_{r_s1}和第二端口的正极相连，谐振电容C_{r_s1}的负极同时与谐振电容C_{r_s2}的正极和变压器二次侧的负极相连，而开关管Q₄的源极、谐振电容C_{r_s2}的负极和第二端口的负极同时连在一起，辅助二极管D₃、D₄分别反并联于谐振电容C_{r_s1}、C_{r_s2}。

2.根据权利要求1所述的双向CLLLC-DCX谐振变换器，其特征在于，控制电路包括控制器和驱动电路；控制器是DSP控制器，用于产生一组互补的PWM驱动信号，驱动电路将接收到的来自控制器的PWM驱动信号，经过隔离和电压增强后为主电路的开关管Q₁～Q₄提供驱动电压。

3.根据权利要求1或2所述的双向CLLLC-DCX谐振变换器，其特征在于，所述开关管Q₁～Q₄为存在反并联的体二极管和漏源极的寄生电容的开关管。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的双向CLLLC-DCX谐振变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

在正向运行时，当流过谐振电感L_{r_p}的电流i_r1为零时，同时开通开关管Q₁和Q₃，经过半个谐振周期后，i_r1再次为零，此时将开关管Q₁和Q₃同时关闭，经过一个死区时间，i_r1在死区时间内在零附近微幅振荡，Q₂和Q₄同时导通时，i_r1也为零值，经过半个谐振周期后，Q₂和Q₄在i_r1再次为零时同时关闭。

在反向运行时，当流过谐振电感L_{r_s}的电流i_r2为零时，同时开通开关管Q₁和Q₃，经过半个谐振周期后，i_r2再次为零，此时将开关管Q₁和Q₃同时关闭，经过一个死区时间，i_r2在死区时间内在零附近微幅振荡，Q₂和Q₄同时导通时，i_r2也为零值，经过半个谐振周期后，Q₂和Q₄在i_r2再次为零时同时关闭。